【導讀】當(dang)控(kong)製(zhi)環(huan)境(jing)比(bi)較(jiao)惡(e)劣(lie)，周(zhou)邊(bian)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)大(da)型(xing)的(de)電(dian)機(ji)對(dui)電(dian)磁(ci)抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)影(ying)響(xiang)較(jiao)大(da)時(shi)

，管(guan)道(dao)閘(zha)中(zhong)的(de)閥(fa)門(men)控(kong)製(zhi)將(jiang)麵(mian)臨(lin)一(yi)定(ding)挑(tiao)戰(zhan)和(he)障(zhang)礙(ai)，麵(mian)對(dui)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)
，該(gai)如(ru)何(he)明(ming)確(que)閥(fa)門(men)的(de)位(wei)置(zhi)和(he)檢(jian)測(ce)扭(niu)矩(ju)？本(ben)次(ci)技(ji)術(shu)型(xing)授(shou)權(quan)代(dai)理(li)商(shang)Excelpoint世健邀請到了他們的客戶——行業資深工程師阮工來分享他的實戰案例。

當(dang)控(kong)製(zhi)環(huan)境(jing)比(bi)較(jiao)惡(e)劣(lie)，周(zhou)邊(bian)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)大(da)型(xing)的(de)電(dian)機(ji)對(dui)電(dian)磁(ci)抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)影(ying)響(xiang)較(jiao)大(da)時(shi)，管(guan)道(dao)閘(zha)中(zhong)的(de)閥(fa)門(men)控(kong)製(zhi)將(jiang)麵(mian)臨(lin)一(yi)定(ding)挑(tiao)戰(zhan)和(he)障(zhang)礙(ai)
，麵(mian)對(dui)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)，該(gai)如(ru)何(he)明(ming)確(que)閥(fa)門(men)的(de)位(wei)置(zhi)和(he)檢(jian)測(ce)扭(niu)矩(ju)？本(ben)次(ci)技(ji)術(shu)型(xing)授(shou)權(quan)代(dai)理(li)商(shang)Excelpoint世健邀請到了他們的客戶——行業資深工程師阮工來分享他的實戰案例。

ADI的TMC5160是一款高度緊湊的步進電機控製器和驅動器IC
，具有最低功耗和最高動態性能的功率級
，能確保無噪音運行
，結合最高效率和最佳電機扭矩。阮工運用TMC5160 StallGuard2，通過編碼器來判斷閥門是否已經開啟或關閉，通過扭矩判斷閥門是否異常不能打開和關閉。該項目輸入參數如下表：

圖1.輸入參數

下圖為阮工結合硬件原理框架設置的係統架構。

圖2.係統架構

電源電壓輸入部分

電源DC-DC選擇ADI的MAX17501/MAX17502，該型號輸入電壓可以支持最高60V（和TMC5160最高輸入電壓一致）。電流分別是500mA和1A

，封裝一致，由於不同的外設（光電開關、編碼器）需求電流不一樣，用戶可以根據實際需求來選擇型號。

為了實現斷電記憶的功能，使用超級電容來作為備份電源，超級電容芯片選擇LTC3225對超級電容進行充電管理。當電源斷電後超級電容還可以持續輸出一段時間來維持MCU的供電
，MCU就可以檢測輸入電壓來判斷是否已斷電來記錄位置。

MCU供電以MAX8891，MAX8891低壓差（LDO）線性穩壓器設計用於提供高達150mA的連續輸出電流

，可以滿足MCU、通信接口芯片的供電電流。

步進電機驅動部分

步進電機驅動部分
，阮工使用了TMC5160。TMC5160的電壓範圍為8-60V
；支持編碼器接口和2個參考開關輸入；支持StallGuard2高精度的無傳感器負載檢測
，可用於閥門故障檢測；外置MOS管，最大支持電流20A。實際應用時，選擇60V40A的mos，可以滿足最大5A的需求。

通信部分

阮工在CAN接口使用了MAX3051
，該型號支持最大1M的速率。RS485接口使用了MAX3060，該型號±15kV ESD保護、失效保護、20Mbps，輸入電壓是3.3V。接口芯片供電都是3.3V，可以直接與MCU鏈接。並且這兩個型號體積小，可以很好地優化PCB尺寸。用戶可以根據項目實際的需求來選擇通信接口。

位置反饋

大部分編碼器使用的是差分信號，這裏以MAX14980作為信號轉換，將差分信號轉換為單端信號
，鏈接TMC5160和MCU的編碼器接口。

程序調試

由於該案例需要通過力矩來判斷閥門的故障和極限位置作為原點
，需要使用StallGuard2的功能。下麵介紹StallGuard2的相關寄存器及配置過程：

關鍵寄存器：

*IHOLD_IRUN 0X10：電流寄存器-設置合適的電流
，設置電流大小直接影響電機的負載能力。設定電流改變後sgt值也需要調節。

圖3.IHOLD_IRUN 電流寄存器表

*VMAX 0X27 最高速度，使用StallGuard2的最佳工作速度範圍在10-300PRM，不同的電機速度有所區別。

圖4.VMAX最高速度寄存器表

*SW_MODE 0X34: sg_stop 10bit- 1:啟用STALLGUARD 2功能。

圖5.sg_stop寄存器表

*COOLCONF 0x6D: 16bit-22bit  StallGuard2 閾值，該值用於設置靈敏度

；24bit-標準/濾波模式。

圖6.COOLCONF 寄存器表

*TCOOLTHRS 0X14:使能CoolStep和StallGuard2功能的下限速度，到達此值電機停止並保持。

圖7.TCOOLTHRS 寄存器表

*DRV_STATUS 0X6F: StallGuard2值和驅動錯誤標誌0-9bit SG_RESULT(負載值) 用於監測電機所剩的扭力。

圖8.SG_RESULT 寄存器表

  配置過程通過程序代碼來說明，如下：

  步驟1：

spi_writeRegister(SW_MODE，0x0600)；--使能StallGuard2

spi_writeRegister(IHOLD_IRUN
，value)；--設置電機的額定電流

spi_writeRegister(VMAX，MAX_Speed_)；--設置最高速度

spi_writeRegister(COOLCONF，0)；--設置StallGuard2靈敏度

spi_writeRegister(TCOOLTHRS，setTCOOLTHRS )；--設定停止閾值，此值可以根據不同的閥門狀態來設定，如歸零或開啟/關閉

spi_writeRegister(RAMPMODE

，VELOCITY_MODE_POS)；--啟用速度模式

步驟2：

spi_readRegister(DRV_STATUS)；--50ms定時讀取SG_RESULT(負載值)

步驟3：

StallGuard2值SG_RESULT受電機特性及特定應用的負載和速度影響。因此， 針對特定電機類型和運行條件調整Stallguard2閾值SGT的最簡單方法是在實際應用中進行交互式調整。

接下來調整StallGuard2的SGT的初始步驟。

1.以適用的正常運行速度運行電機，並監控SG_RESULT 。

2.緩慢增加電機的機械負載。如果電機在SG_RESULT達到0之前停止，則減小SGT。如果SG_RESULT在電機停止之前達到0，則增大SGT。0是SGT初始值。SGT是有符號的，可正可負。

3.將TCOOLTHRS設置為高於TSTEP的值
，並啟用sg_stop使能堵轉停止功能。確保電機在停機時安全停止。如果電機在堵轉發生前停止，增加SGT。通過禁用sg_stop或讀並寫入RAMP_STAT寄存器(寫+清除功能)重新啟動電機。

4.在電機增加負載堵轉前，SG_RESULT最佳範圍大約在0和10之間，且在沒有負載的情況下SG_RESULT增加100或更多時。在大多數情況下，SGT應在某個運動速度或速度範圍調整。確保設置在一定範圍內(例如所需速度的80%至120 %)以及極端電機條件下(最低和最高適用溫度)工作可靠。

允許自動調整 SGT 的可選步驟

SGT設置背後的基本思想是補償電機內部電阻損耗的對StallGuard2影響。 在靜止和非常低的速度下
，由於機械功率為零或接近零，電阻損耗是電機能量平衡的主要因素。這樣可以將SGT設置為接近零速度的最佳值。該算法特別適用於在應用中調整SGT
，以獲得與環境條件、電機雜散等無關的最佳結果。

1. 以小於10 RPM(即每秒幾個至幾十個全步的低速運行電機，並獲得目標運行電流和電源電壓。)在此速度範圍內，SG_RESUL對電機負載的依賴性不大，因為電機不會產生顯著的反電勢。因此
   
   ，機械負載對結果影響不大。

2. 
   

2.打開sfilt濾波器。將SGT從0逐漸增加到SG_RESULT開始增加。當SGT值較高時
，SG_RESUL將上升到最大值，繼續增大SGT則SG_RESULT會溢出到0。 現在
，SGT值被設置成最大敏感。當看到SG_RESULT以較高的速度增加時，則檢測到堵轉。

該參數設置下堵轉檢測的上限速度由速度確定，在該速度下，電機反電勢接近電源電壓
，速度繼續增大電機電流開始下降。

當電機堵轉時
，SG_RESULT變為0，可配置斜坡發生器 SW_MODE中的sg_stop 使能在堵轉事件時停止電機。將TCOOLTHRS設置為與較低的速度閾值相匹配，在該閾值下，StallGuard2 結果最佳，完成有效的sg_stop。

ADI的TMC5160 StallGuard2的功能非常廣泛，TMC5160 CoolStep負載自適應電流控製
，也是基於StallGuard2defuzaijiancelaikongzhidianliushuchudianliudaxiao，shixiandigonghao，jieyuenengyuan
，jiangdixinpianwendu。zaimouxieyingyongzhongkeyitongguolijulaizhenduanshebeidejiankangzhuangkuangheshebeiguilingdegongneng，haikeyijieshengbianmaqijiguangdiankaiguan
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